面对5G通讯时代新材料，你准备好了吗？

2020-11-28 13:09:09, 赛默飞赛默飞材料表征仪器

前言

2020年，我们正式迈入5G网络的世界。但 5G 到底是什么？它有哪些优势？今天就来一起了解一下不可思议的 5G 时代吧！

5G 是第五代移动通信技术的英文简称，5G网络作为第五代通信网络，其峰值理论传输速度可达每秒数十GB，比4G传输速度要快上数百倍。

5G 网络的前景

5G 有望在移动通信速度、响应速度和规模上迎来一次巨大飞跃，下载速度会达到每秒几千兆位，比现有的 4G LTE 技术快 50 倍左右。随着物联网（IoT）的实现，5G 技术能够将数百亿台设备、智能物体和嵌入式传感器连接起来。

5G 具备三大技术优势：极大的网络容量，具备控制医疗、运输和制造领域关键任务系统的能力，以及在网络密集型环境（如在配备数十个联网设备和移动技术的家庭和公寓）中实现操作的能力。

5G 技术的三大应用场景包括：

增强型移动宽带 (eMBB)：数据驱动的应用要求在广泛的覆盖区域内达到高数据速率。

超可靠低延时通信 (URLLC)：对关键任务通信的延时和可靠性有极高的要求，如远程手术、自动驾驶或触觉互联网。延时是信号发送和接收所需的时间。对于关键任务，延时必须最低。

大规模机器类型通信 (mMTC)：向一个小区域内的海量设备提供支持，虽然可能只是偶尔传输数据，但必须始终完全有能力提供这种支持。

随着设备数量呈现爆炸式增长，在多模式环境中扩展射频带宽就变得至关重要。现有的 4G 网络使用低于 6 GHz 的射频频段，而 5G 网络将在未来几年使用频段高达 28 Ghz 及以上的电磁波，这在业界被称为毫米波 (mmWave)。这些频率的优点是传输信号非常快，且数据传输量是 4G 网络的1000 倍。

频率越高，覆盖距离越短

毫米波网络的一个缺点是，信号在建筑物林立的人口稠密地区会受到干扰，造成通信不顺畅。新网络将由“基站”天线和采用大规模多输入多输出 (MIMO) 技术的“最后一公里”无线技术组成。

在此方案中，基站向特定用户传输聚焦数据流，而不是向各个方向传输信号。全双工技术允许同时发送和接收信号，而不是交替传输数据，这是 5G 延时降低的主要原因。

5G新天线技术

10 GHz 以上的频段为高数据速率提供了充足的带宽。高频使得天线的间距更短，这大大增加了对 5G 基站的需求。此外，更高的频段也需要全新的滤波和切换技术。

大规模多输入多输出 (MIMO) 要求天线阵列在发送信号和接收信号之间形成直接波束。这也意味着可以在同一个射频通道上同时发送和接收数据信号。虽然目前采用的标准 MIMO 通常使用两根或四根天线，但大规模 MIMO 需要的天线数量更多。目前的测试着眼于在 MIMO 网络中部署 96 到 128 根天线。

按时分双工 (TDD) 实现的全双工意味着可以在相同的频段但在不同的时间内发送和接收信号。由于 5G 的同步信令和高速要求，必须使用高级交换电路。

陶瓷材料发挥至关重要的作用

5G 网络需要很多通信组件，部分具有先进电气特性的材料将发挥重要作用。陶瓷材料在构建 5G 天线阵列方面具有广阔的前景。目前技术陶瓷用于滤波器和谐振器天线的射频和微波介质中，它的介电特性使其成为高频传输的理想选择，它具有介电常数低、介质损耗低、温度稳定等重要材料特性。陶瓷天线材料要求温度稳定、超低介电常数和超高 Qf 值，即介电损耗 (Q) 值的倒数与频率 (f) 的乘积。低温共烧陶瓷 (LTCC) 和超低温烧结陶瓷结合了铁氧体材料和介电材料，可以为5G提供新的支持技术。

低介电陶瓷材料评价

目前几种低介电常数材料正处于评估阶段，以确定其是否适用于 5G 天线网络中的陶瓷电容器和基板。这些材料包括堇青石、瓦兹利石、锂霞石、Li2MgSiO4、镁橄榄石、硅锌矿、钡长石、尖晶石和氧化铝。在含钽、钨或铌的钡基钙钛矿 (BZT) 中发现了具备超低损耗角正切特性，可作为行业标准（称为“高 Q 值”）。

分析工具助力评价和表征

研究实验室和技术陶瓷生产商需要易于使用的技术来识别和量化陶瓷材料的物相组成。由于任何材料纯度都达不到 100%，因此，这些研究实验室还需要在化学成分分析中跟踪杂质和掺杂物的浓度。便携台式X射线衍射仪和能量色散X射线荧光能谱仪为陶瓷材料的分析提供了相应的检测能力和理想的外型尺寸。

为此赛默飞为您准备了以下应用指南：

介绍了Thermo Scientific™ ARL™ EQUINOX 100便携台式 X 射线衍射仪如何获得适用于陶瓷材料定性和定量 (WPF) 物相分析的数据。这项研究着眼于 5G 天线陶瓷样品，其包含的各个物相非常适合在 10 GHz 以上的频段范围使用。Thermo Scientific™ ARL™ EDXRF 元素分析光谱仪提供的补充结果揭示了样品中存在微量元素，可为 5G 天线陶瓷材料提供全面的质量控制。